Pierwszy w polsce sygnał magnetycznego rezonansu jądrowego

JACEK W. HENNEL

Jest rzeczą ogólnie wiadomą, że prof. Andrzej Hrynkiewicz rozwinął w Krakowie badania w dziedzinie spektroskopii gamma, nie wszyscy jednak wiedzą, że jest on również inicjatorem badań spektroskopowych w zakresie leżącym w zupełnie innym miejscu na skali częstości. Mam tu na myśli jego pionierską działalność w dziedzinie magnetycznego rezonansu jądrowego.

Było to w roku 1952. Profesor Hrynkiewicz, wówczas młody doktor fizyki, wygłosił na jednym z cotygodniowych zebrań fizyków krakowskich; na konwersatorium fizycznym referat na temat niedawnego odkrycia magnetycznego rezonansu jądrowego przez F.Blocha. Po referacie zwrócił się do mnie z propozycją zbudowania aparatury i zajęcia się tym zjawiskiem, które wydało mu się wielce interesujące i obiecujące pod względem naukowym. Pamiętam, jak mi wykładał sprawy rezonansu jądrowego w czasie długiego spaceru po plantach krakowskich. Jako trzeciego członka grupy znającego się dobrze na elektronice zaprosił Olgierda Korybuta -Daszkiewicza. Ja wówczas miałem już za sobą przeszło rok pracy w Instytucie Odlewnictwa, gdzie zacząłem pracować wkrótce po magisterium w 1950 r. nie przerywając ścisłych kontaktów z Katedrą mojego mistrza profesora Henryka Niewodniczańskiego. Daszkiewicz niedawno zakończył studia fizyki.

W ramach naszej trójosobowej grupy przypadło mi budowanie mostka wysokiej częstości i skonstruowanie urządzenia do modulacji pola magnetycznego. Daszkiewiczowi została powierzona przebudowa poniemieckiego, wojskowego odbiornika na odpowiednią częstość (ok. 30 MHz), Hrynkiewicz zaś przyjął na siebie ogólny nadzór naukowy i dokończenie budowy magnesu, którego jarzmo, wykonane kiedyś w innym celu, dostaliśmy gotowe. We wszystkich tych pracach korzystaliśmy z fachowej pomocy istniejącego w Instytucie Fizyki UJ znakomitego i dobrze zaopatrzonego jak na te czasy warsztatu (zasługa prof. Niewodniczańskiego). Pracowali w nim wtedy panowie: Adolf Nowak, (werkmistrz), Zygmunt Kozik, Kazimierz Sącki, Sawczak (imienia nie pamiętam). Piotr Wal, Jan Zajączkowski i Radosław Źródlewski.

Andrzej Hrynkiewicz zdecydował, że budowana przez nas aparatura będzie zawierała mostek wysokiej częstości typu Gabilarda - Soutifa. Obudowę mostka w kształcie blaszanej skrzynki z wystającą miedzianą rurką zawierającą na końcu cewkę rezonansową wykonał warsztat według mojego projektu. W tej skrzynce zamontowałem kondensatory wraz z pokrętłami. Były to kondensatory zdobyte przez prof. H. Niewodniczańskiego i J. Weyssenhofa w czasie ich podróży zaopatrzeniowych do Niemiec w 1946 roku Zakupili oni wtedy dużo części i gotowych aparatów. Polski przemysł elektroniczny dopiero się odradzał. Z gotowych aparatów powojennej produkcji mieliśmy tylko czechosłowacki generator sygnałowy firmy "Tesla", dość prymitywny, pomyślany zasadniczo jako przyrząd potrzebny przy naprawianiu radioodbiorników. Drugim gotowym aparatem, którym rozporządzaliśmy, był NRD-owski oscyloskop. Pamiętam, że miałem trudności z zestrojeniem mostka. Na szczęście udało się tego dokonać Hrynkiewiczowi, który wpadł na pomysł, aby zestrajanie prowadzić początkowo przy małym wzmocnieniu odbiornika, gdyż w przeciwnym razie manewrując gałkami kondensatorów łatwo można było moment zestrojenia przeoczyć.

Druga trudność, którą musiałem pokonać, dotyczyła modulacji pola magnetycznego. Próba modulowania pola w całej szczelinie magnesu nie powiodła się i dopiero zastosowanie pary cewek Helmholtza okazało się zadowalające.

Do moich zadań należało także opracowanie precyzyjnej regulacji prądu w uzwojeniach elektromagnesu. Skonstruowałem odpowiednią opornicę i urządzenie pomiarowe oparte na pożyczonych z Instytutu Odlewnictwa kompensatorze prądu stałego i ogniwie normalnym Źródłem prądu była niedawno uruchomiona przez Tadeusza Walugę ogromna bateria akumulatorów stacyjnych w suterenach. Pamiętam jak wspólnie z Andrzejem Hrynkiewiczem przeciągaliśmy grube przewody miedziane do naszego laboratorium na I piętrze. Pomagał nam w tym nasz wierny laborant pan Józef Machaczka.

Budując aparaturę nie mieliśmy się kogo radzić, nie było bowiem wtedy w Polsce osób mających doświadczenie w tej materii. Na szczęście mieliśmy możliwość korzystania z bieżącej literatury naukowej, w którą biblioteka Instytutu była (z wyjątkiem roku 1950) dość systematycznie zaopatrywana. Największe korzyści odnieśliśmy z lektury słynnej pracy Bloembergena, Purcella i Pounda opublikowanej w Physical Review w roku 1948.

Po upływie około roku aparatura była już gotowa do uruchomienia. Rozpoczęliśmy próby, ale nie udawało się nam uzyskać sygnału rezonansu. W celu kolejnej próby, pewnego dnia w maju 1953 r., przyszliśmy, Andrzej i ja, do Instytutu na Gołębiej. Musiał to chyba być dzień wolny, bo Instytut był opustoszały i mogliśmy bez przeszkód skupić się na naszej fascynującej pracy. Był piękny słoneczny dzień, a na plantach, za oknami naszego laboratorium pięknie kwitły kasztanowce. Włączyliśmy poszczególne elementy aparatury w tym magnes i modulację, zestroiliśmy mostek i zaczęliśmy delikatnie zmieniać pole magnetyczne, obserwując jednocześnie ekran oscyloskopu. I znowu nic. Andrzej zaproponował poszerzenie amplitudy modulacji pola magnetycznego wyrażając przypuszczenie, że może zbyt wąska modulacja pola magnetycznego utrudnia dostrojenie się do rezonansu. Zmieniliśmy amplitudę. W pewnym momencie na tle szumów ukazały się małe, dość ostre piki. Ich położenie na osi czasu zmieniało się, jak powinno przy zmianie pola. Wiedzieliśmy, że nie ma innego związku między polem magnetycznym a częścią elektroniczną aparatury, jak tylko poprzez rezonans jądrowy. Przy zmniejszonej modulacji pola sygnał objawił oczekiwany kształt linii rezonansowej. A więc uzyskaliśmy nasz upragniony efekt. Była to zarazem pierwsza obserwacja rezonansu jądrowego w Polsce. Ucieszeni sukcesem poszliśmy do kina "Wanda". Ale, nie pamiętaliśmy tytułu filmu ani nic z jego treści. Wkrótce po rozpoczęciu seansu Andrzej szturchnął mnie i szepnął "wracamy do Instytutu". Nie trzeba było mnie zachęcać. Pognaliśmy na Gołębią, aby upewnić się, czy nie padliśmy ofiarą jakiegoś złudzenia. Efekt wystąpił jednak ponownie, co nas już całkiem upewniło. Niewątpliwie był to jeden z najszczęśliwszych dni w moim życiu, a zawdzięczam go w dużej mierze profesorowi Hrynkiewiczowi.

Sukces inicjatywy Andrzeja Hrynkiewicza bynajmniej nie polegał tylko na uzyskaniu sygnału rezonansu jądrowego. Okazało się bowiem, że nasza aparatura, z dzisiejszego punktu widzenia bardzo prymitywna, dawała wówczas możliwość wykonywania pomiarów o istotnej wartości naukowej. Zwróciło to uwagę wielu młodszych od nas kolegów, którzy dołączyli się do naszego zespołu, początkowo z zamiarem wykonywania prac magisterskich a potem i dalszych badań naukowych. Byli to: Tadeusz Waluga, Kazimierz Krynicki, Edward Obryk, Tadeusz Dobrowolski, Jerzy Blicharski. Po nich nastąpiło wielu innych, których nazwisk już nie wymieniam. Początkowo tematyka naukowa poszła w dwóch kierunkach: czasy relaksacji spinowo-sieciowej w cieczach i rezonans jądrowy w płynącej wodzie. W ramach tematyki dotyczącej cieczy opracowaliśmy z Andrzejem nową, dość dokładną i pewną metodę pomiaru czasu relaksacji T1. Tą metodą badaliśmy zależność temperaturową iloczynu T1 i lepkości cieczy podzielonego przez T, który według ówczesnych teorii miał być stały. Zaobserwowany przez nas efekt został wkrótce wyjaśniony przez Gutowskiego występowaniem oddziaływania spinowo-rotacyjnego. Nasze wyniki pomiarów T1 weszły do Tablic Landolta.

Doświadczenia z rezonansem jądrowym w przepływającej cieczy były wykonywane przez profesora Hrynkiewicza wspólnie z Tadeuszem Walugą i Grzegorzem Zapalskim, bo wtedy przez jakiś czas byłem zajęty budową i uruchamianiem krakowskiego "małego cyklotronu". W badaniach z płynącą cieczą zademonstrowano nieadiabatyczne przejście, powodujące odwrócenie populacji poziomów energetycznych. Dotychczas bowiem takie przejście było otrzymane tylko w ciałach stałych. Okazało się, że tak w prosty sposób otrzymano odwrócenie sygnału w cieczy, co oznaczało, że została uzyskana ujemna bezwzględna temperatura spinowa.

W roku 1958 poleciałem w towarzystwie Andrzeja do Paryża, gdzie na konferencji Colloque Ampere wspólnie zreferowaliśmy wyniki wszystkich wyżej opisanych prac. Dowiedzieliśmy się wtedy, że praca o odwróceniu populacji stanów w przepływającej cieczy stanowiła inspirację dokonania wynalazku masera przez-prof. Benoit.

Niezależnie od prac czysto naukowych postępowało wciąż doskonalenie aparatury, głównie dzięki działaniom doskonałego elektronika, śp. inż. Grzegorza Zapalskiego, który dołączył do naszej grupy około roku 1957. Daszkiewicz poświęcił się budowie aparatur do echa spinowego. Pierwszy sygnał echa uzyskał w roku 1954, poczym zbudował drugą z kolei aparaturę impulsową, wówczas nadzwyczaj nowoczesną, bo posiadającą cyfrowe sterowanie. Ta aparatura znalazła w latach sześćdziesiątych zastosowanie do badania relaksacji w roztworach białek i w ciekłym chlorowodorze.

Cały czas trwała też praca nad dokształcaniem zespołu w zakresie teorii. Ważną rolę w tej mierze spełnił Andrzej Hrynkiewicz, który po powrocie z corocznej szkoły letniej w Varennie na jeziorem Como, poświęconej tym razem magnetycznemu rezonansowi jądrowemu wygłosił cykl wykładów. Spotkał w Arenie F. Blocha, E.M. Purcella i R.V. Ponda, słuchał ich wykładów, a Purcell polecił mu nawet spisywać notatki z jego wykładu. Następne cykle wykładów wprowadzające nas w głębsze rejony kwantowego ujęcia teorii rezonansu jądrowego prowadzili E. Obryk i J. Blicharski.

Moja współpraca z profesorem Hrynkiewiczem dobiegła końca w roku 1958, ku mojemu wielkiemu żalowi. W tym bowiem roku, wyjechał on do Stanów Zjednoczonych, do profesora M. Deutscha w MIT celem dalszej specjalizacji w spektroskopii gamma. W jesieni 1959 ja także wyjechałem zagranicę celem odbycia rocznego stażu naukowego pod kierunkiem wybitnego angielskiego specjalisty w dziedzinie rezonansu jądrowego, profesora E.R. Andrew w University College of North Wales w Bangor. Po powrocie nas obu z zagranicy z końcem roku 1960, profesor Hrynkiewicz scedował na mnie kierownictwo pracowni rezonansu jądrowego, aby całą swoją energię skierować ku zagadnieniom spektroskopii gamma. Bardzo żałuję, że nasze drogi naukowe się rozeszły. Ale ten krótki okres współpracy z Andrzejem po dziś pozostał mi w pamięci jako coś bardzo miłego.

Last update: December 2005